La calmodulina ( CaM ) (abreviatura de proteína modulada por calcio ) es una proteína mensajera intermedia multifuncional que se une al calcio y que se expresa en todas las células eucariotas . [1] Es un objetivo intracelular del mensajero secundario Ca 2+ , y la unión del Ca 2+ es necesaria para la activación de la calmodulina. Una vez unida al Ca 2+ , la calmodulina actúa como parte de una vía de transducción de señales de calcio modificando sus interacciones con varias proteínas objetivo, como las quinasas o las fosfatasas . [2] [3] [4]
La calmodulina es una proteína pequeña y altamente conservada de 148 aminoácidos de longitud (16,7 kDa). La proteína tiene dos dominios globulares aproximadamente simétricos (los dominios N y C) que contienen cada uno un par de motivos de mano EF [5] separados por una región de enlace flexible para un total de cuatro sitios de unión de Ca 2+ , dos en cada dominio globular. [6] En el estado libre de Ca 2+ , las hélices que forman las cuatro manos EF están colapsadas en una orientación compacta y el enlace central está desordenado; [5] [6] [7] [8] en el estado saturado de Ca 2+ , las hélices de mano EF adoptan una orientación abierta aproximadamente perpendicular entre sí, y el enlace central forma una hélice alfa extendida en la estructura cristalina, [5] [6] pero permanece en gran parte desordenado en solución. [9] El dominio C tiene una mayor afinidad de unión por Ca 2+ que el dominio N. [10] [11]
La calmodulina es estructuralmente bastante similar a la troponina C , otra proteína de unión a Ca 2+ que contiene cuatro motivos EF-hand. [5] [12] Sin embargo, la troponina C contiene una hélice alfa adicional en su extremo N y está unida constitutivamente a su objetivo, la troponina I. Por lo tanto, no exhibe la misma diversidad de reconocimiento de objetivos que la calmodulina.
La capacidad de la calmodulina para reconocer una gran variedad de proteínas diana se debe en gran parte a su flexibilidad estructural. [13] Además de la flexibilidad del dominio de enlace central, los dominios N y C experimentan ciclos conformacionales abiertos-cerrados en el estado unido a Ca 2+ . [9] La calmodulina también exhibe una gran variabilidad estructural y sufre considerables fluctuaciones conformacionales cuando se une a sus dianas. [14] [15] [16] Además, la naturaleza predominantemente hidrofóbica de la unión entre la calmodulina y la mayoría de sus dianas permite el reconocimiento de una amplia gama de secuencias de proteínas diana. [14] [17] En conjunto, estas características permiten que la calmodulina reconozca unas 300 proteínas diana [18] que exhiben una variedad de motivos de secuencia de unión a CaM.
La unión de Ca 2+ por las manos EF provoca una apertura de los dominios N y C, lo que expone superficies de unión al objetivo hidrofóbicas. [6] Estas superficies interactúan con segmentos no polares complementarios en las proteínas objetivo, que normalmente consisten en grupos de aminoácidos hidrofóbicos voluminosos separados por 10-16 aminoácidos polares y/o básicos. [18] [14] El dominio central flexible de la calmodulina permite que la proteína se enrolle alrededor de su objetivo, aunque se conocen modos alternativos de unión. Los objetivos "canónicos" de la calmodulina, como las quinasas de la cadena ligera de miosina y CaMKII , se unen solo a la proteína unida a Ca 2+ , mientras que algunas proteínas, como los canales NaV y las proteínas con motivos IQ , también se unen a la calmodulina en ausencia de Ca 2+ . [14] La unión de la calmodulina induce reordenamientos conformacionales en la proteína objetivo a través de un "ajuste mutuamente inducido", [19] lo que lleva a cambios en la función de la proteína objetivo.
La unión del calcio por la calmodulina exhibe una considerable cooperatividad , [5] [11] haciendo de la calmodulina un ejemplo inusual de una proteína de unión cooperativa monomérica (de cadena simple) . Además, la unión al objetivo altera la afinidad de unión de la calmodulina hacia los iones Ca 2+ , [20] [21] [22] lo que permite una interacción alostérica compleja entre el Ca 2+ y las interacciones de unión al objetivo. [23] Se cree que esta influencia de la unión al objetivo en la afinidad del Ca 2+ permite la activación por Ca 2+ de proteínas que están unidas constitutivamente a la calmodulina, como los canales de potasio activados por Ca 2+ (SK) de pequeña conductancia. [24]
Aunque la calmodulina funciona principalmente como una proteína de unión a Ca 2+ , también coordina otros iones metálicos. Por ejemplo, en presencia de concentraciones intracelulares típicas de Mg 2+ (0,5–1,0 mM) y concentraciones en reposo de Ca 2+ (100 nM), los sitios de unión de Ca 2+ de la calmodulina están al menos parcialmente saturados por Mg 2+ . [25] Este Mg 2+ es desplazado por las mayores concentraciones de Ca 2+ generadas por los eventos de señalización. De manera similar, el Ca 2+ puede ser desplazado por otros iones metálicos, como los lantánidos trivalentes, que se asocian con los bolsillos de unión de la calmodulina incluso más fuertemente que el Ca 2+ . [26] [27] Aunque dichos iones distorsionan la estructura de la calmodulina [28] [29] y generalmente no son fisiológicamente relevantes debido a su escasez in vivo , no obstante han visto un amplio uso científico como reporteros de la estructura y función de la calmodulina. [30] [31] [26]
La calmodulina media muchos procesos cruciales como la inflamación , el metabolismo , la apoptosis , la contracción del músculo liso , el movimiento intracelular, la memoria a corto y largo plazo y la respuesta inmune . [32] [33] El calcio participa en un sistema de señalización intracelular actuando como un segundo mensajero difusible a los estímulos iniciales. Lo hace uniéndose a varios objetivos en la célula, incluyendo una gran cantidad de enzimas , canales iónicos , acuaporinas y otras proteínas. [4] La calmodulina se expresa en muchos tipos de células y puede tener diferentes ubicaciones subcelulares, incluyendo el citoplasma , dentro de los orgánulos , o asociada con el plasma o las membranas de los orgánulos, pero siempre se encuentra intracelularmente. [33] Muchas de las proteínas a las que se une la calmodulina son incapaces de unirse al calcio por sí mismas, y utilizan la calmodulina como un sensor de calcio y transductor de señales. La calmodulina también puede hacer uso de las reservas de calcio en el retículo endoplásmico y el retículo sarcoplásmico . La calmodulina puede sufrir modificaciones postraduccionales, como fosforilación , acetilación , metilación y escisión proteolítica , cada una de las cuales tiene potencial para modular sus acciones.
La calmodulina desempeña un papel importante en el acoplamiento de la excitación contracción (EC) y la iniciación del ciclo de puente cruzado en el músculo liso , lo que en última instancia provoca la contracción del músculo liso. [34] Para activar la contracción del músculo liso, la cabeza de la cadena ligera de miosina debe estar fosforilada. Esta fosforilación la realiza la quinasa de la cadena ligera de miosina (MLC) . Esta quinasa MLC es activada por una calmodulina cuando está unida al calcio, lo que hace que la contracción del músculo liso dependa de la presencia de calcio, a través de la unión de la calmodulina y la activación de la quinasa MLC. [34]
Otra forma en que la calmodulina afecta la contracción muscular es controlando el movimiento de Ca 2+ a través de las membranas de la célula y del retículo sarcoplásmico . Los canales de Ca 2+ , como el receptor de rianodina del retículo sarcoplásmico, pueden ser inhibidos por la calmodulina unida al calcio, lo que afecta los niveles generales de calcio en la célula. [35] Las bombas de calcio extraen el calcio del citoplasma o lo almacenan en el retículo endoplasmático y este control ayuda a regular muchos procesos posteriores.
Esta es una función muy importante de la calmodulina porque juega un papel indirecto en cada proceso fisiológico que se ve afectado por la contracción del músculo liso , como la digestión y la contracción de las arterias (que ayuda a distribuir la sangre y regular la presión arterial ). [36]
La calmodulina juega un papel importante en la activación de la fosforilasa quinasa , que en última instancia conduce a que la glucosa se separe del glucógeno por acción de la glucógeno fosforilasa . [37]
La calmodulina también desempeña un papel importante en el metabolismo de los lípidos al afectar a la calcitonina . La calcitonina es una hormona polipeptídica que reduce los niveles de Ca 2+ en sangre y activa las cascadas de proteínas Gs que conducen a la generación de AMPc. Las acciones de la calcitonina se pueden bloquear inhibiendo las acciones de la calmodulina, lo que sugiere que la calmodulina desempeña un papel crucial en la activación de la calcitonina. [37]
La proteína quinasa II dependiente de Ca 2+ /calmodulina (CaMKII) desempeña un papel crucial en un tipo de plasticidad sináptica conocida como potenciación a largo plazo (PLP), que requiere la presencia de calcio/calmodulina. La CaMKII contribuye a la fosforilación de un receptor AMPA , lo que aumenta la sensibilidad de los receptores AMPA. [38] Además, las investigaciones muestran que la inhibición de la CaMKII interfiere con la LTP. [38]
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Mientras que las levaduras tienen un solo gen CaM, las plantas y los vertebrados contienen una forma conservada evolutivamente de genes CaM. La diferencia entre plantas y animales en la señalización de Ca 2+ es que las plantas contienen una familia extendida de CaM además de la forma conservada evolutivamente. [39] Las calmodulinas desempeñan un papel esencial en el desarrollo de las plantas y la adaptación a los estímulos ambientales.
El calcio desempeña un papel fundamental en la integridad estructural de la pared celular y del sistema de membranas de la célula. Sin embargo, los niveles elevados de calcio pueden resultar tóxicos para el metabolismo energético celular de una planta y, por lo tanto, la concentración de Ca 2+ en el citosol se mantiene a un nivel submicromolar mediante la eliminación del Ca 2+ citosólico hacia el apoplasto o el lumen de los orgánulos intracelulares. Los pulsos de Ca 2+ creados debido al aumento de la entrada y salida actúan como señales celulares en respuesta a estímulos externos como hormonas, luz, gravedad, factores de estrés abiótico y también interacciones con patógenos. [40]
Las plantas contienen proteínas relacionadas con CaM (CML) además de las proteínas CaM típicas. Las CML tienen aproximadamente un 15% de similitud de aminoácidos con las CaM típicas. Arabidopsis thaliana contiene alrededor de 50 genes CML diferentes, lo que lleva a la pregunta de qué propósito cumplen estos diversos rangos de proteínas en la función celular. Todas las especies de plantas muestran esta diversidad en los genes CML. Las diferentes CaM y CML difieren en su afinidad para unirse y activar las enzimas reguladas por CaM in vivo . También se ha descubierto que las CaM o CML se encuentran en diferentes compartimentos de orgánulos.
En Arabidopsis, la proteína DWF1 desempeña un papel enzimático en la biosíntesis de brasinoesteroides, hormonas esteroides de las plantas que son necesarias para el crecimiento. Se produce una interacción entre CaM y DWF1, [ aclaración necesaria ] y, al no poder unirse a CaM, DWF1 no puede producir un fenotipo de crecimiento regular en las plantas. Por lo tanto, CaM es esencial para la función de DWF1 en el crecimiento de las plantas.
También se sabe que las proteínas de unión a CaM regulan el desarrollo reproductivo en las plantas. Por ejemplo, la proteína quinasa de unión a CaM del tabaco actúa como regulador negativo de la floración. Sin embargo, estas proteínas quinasas de unión a CaM también están presentes en el meristemo apical de los brotes del tabaco y una alta concentración de estas quinasas en el meristemo provoca un retraso en la transición a la floración en la planta.
La quinasa del receptor del locus S (SRK) es otra proteína quinasa que interactúa con CaM. SRK está involucrada en las respuestas de autoincompatibilidad involucradas en las interacciones polen-pistilo en Brassica .
Los objetivos de CaM en Arabidopsis también están involucrados en el desarrollo del polen y la fertilización. Los transportadores de Ca 2+ son esenciales para el crecimiento del tubo polínico . Por lo tanto, se mantiene un gradiente constante de Ca 2+ en el ápice del tubo polínico para el alargamiento durante el proceso de fertilización. De manera similar, CaM también es esencial en el ápice del tubo polínico, donde su función principal implica la guía del crecimiento del tubo polínico.
El Ca 2+ desempeña un papel importante en la formación de nódulos en las legumbres. El nitrógeno es un elemento esencial necesario en las plantas y muchas legumbres, incapaces de fijar el nitrógeno de forma independiente, se emparejan simbióticamente con bacterias fijadoras de nitrógeno que reducen el nitrógeno a amoníaco. Este establecimiento de la interacción legumbre- Rhizobium requiere el factor Nod que es producido por la bacteria Rhizobium . El factor Nod es reconocido por las células de los pelos de la raíz que están involucradas en la formación de nódulos en las legumbres. Se caracteriza por estar involucradas respuestas de Ca 2+ de naturaleza variada en el reconocimiento del factor Nod. Hay un flujo de Ca 2+ en la punta del pelo de la raíz inicialmente seguido por una oscilación repetitiva de Ca 2+ en el citosol y también se produce un pico de Ca 2+ alrededor del núcleo. DMI3, un gen esencial para las funciones de señalización del factor Nod aguas abajo de la firma de picos de Ca 2+ , podría estar reconociendo la firma de Ca 2+ . Además, varios genes CaM y CML en Medicago y Lotus se expresan en nódulos.
Entre la amplia gama de estrategias de defensa que utilizan las plantas contra los patógenos, la señalización de Ca 2+ es muy común. Los niveles de Ca 2+ libre en el citoplasma aumentan en respuesta a una infección patógena. Las firmas de Ca 2+ de esta naturaleza generalmente activan el sistema de defensa de la planta al inducir genes relacionados con la defensa y la muerte celular por hipersensibilidad. Las CaM, las CML y las proteínas de unión a CaM son algunos de los elementos recientemente identificados de las vías de señalización de defensa de las plantas. Varios genes de CML en el tabaco , el frijol y el tomate responden a los patógenos. CML43 es una proteína relacionada con CaM que, como se aisló del gen APR134 en las hojas resistentes a las enfermedades de Arabidopsis para el análisis de la expresión génica, se induce rápidamente cuando las hojas se inoculan con Pseudomonas syringae . Estos genes también se encuentran en los tomates ( Solanum lycopersicum ). El CML43 de APR134 también se une a iones Ca 2+ in vitro, lo que demuestra que CML43 y APR134 están, por lo tanto, involucrados en la señalización dependiente de Ca 2+ durante la respuesta inmune de la planta a patógenos bacterianos. [41] La expresión de CML9 en Arabidopsis thaliana es inducida rápidamente por bacterias fitopatógenas, flagelina y ácido salicílico. [42] La expresión de SCaM4 y SCaM5 de soja en tabaco transgénico y Arabidopsis causa una activación de genes relacionados con la resistencia a patógenos y también da como resultado una resistencia mejorada a un amplio espectro de infecciones por patógenos. Lo mismo no es cierto para SCaM1 y SCaM2 de soja que son isoformas de CaM altamente conservadas. La proteína At BAG6 es una proteína de unión a CaM que se une a CaM solo en ausencia de Ca 2+ y no en presencia de este. En BAG6 es responsable de la respuesta hipersensible de muerte celular programada con el fin de prevenir la propagación de la infección por patógenos o restringir el crecimiento de patógenos. Las mutaciones en las proteínas de unión a CaM pueden provocar efectos graves en la respuesta de defensa de las plantas frente a las infecciones por patógenos. Los canales regulados por nucleótidos cíclicos (CNGC) son canales proteicos funcionales en la membrana plasmática que tienen sitios de unión de CaM superpuestos que transportan cationes divalentes como Ca 2+ . Sin embargo, el papel exacto de la posición de los CNGC en esta vía de defensa de las plantas aún no está claro.
Los cambios en los niveles intracelulares de Ca 2+ se utilizan como una señal para diversas respuestas a estímulos mecánicos, tratamientos osmóticos y salinos, y choques de frío y calor. Diferentes tipos de células de la raíz muestran una respuesta de Ca 2+ diferente a los estreses osmóticos y salinos y esto implica las especificidades celulares de los patrones de Ca 2+ . En respuesta al estrés externo, la CaM activa la glutamato descarboxilasa (GAD) que cataliza la conversión de L -glutamato a GABA. Un control estricto de la síntesis de GABA es importante para el desarrollo de la planta y, por lo tanto, el aumento de los niveles de GABA puede afectar esencialmente al desarrollo de la planta. Por lo tanto, el estrés externo puede afectar el crecimiento y desarrollo de la planta y la CaM está involucrada en esa vía controlando este efecto. [ cita requerida ]
El sorgo es un organismo modelo bien establecido y puede adaptarse a ambientes cálidos y secos. Por esta razón, se utiliza como modelo para estudiar el papel de la calmodulina en las plantas. [43] El sorgo contiene plántulas que expresan una proteína de unión al ARN rica en glicina , SbGRBP. Esta proteína en particular se puede modular utilizando el calor como factor estresante. Su ubicación única en el núcleo celular y el citosol demuestra la interacción con la calmodulina que requiere el uso de Ca 2+ . [44] Al exponer la planta a condiciones de estrés versátiles , puede hacer que se repriman diferentes proteínas que permiten a las células vegetales tolerar los cambios ambientales. Se ha demostrado que estas proteínas de estrés moduladas interactúan con CaM. Los genes CaMBP expresados en el sorgo se representan como un "cultivo modelo" para investigar la tolerancia al estrés por calor y sequía .
En un estudio de Arabidopsis thaliana , cientos de proteínas diferentes demostraron la posibilidad de unirse a CaM en plantas. [43]
La calmodulina pertenece a uno de los dos grupos principales de proteínas que se unen al calcio, llamadas proteínas de la mano EF . El otro grupo, llamado anexinas , se unen al calcio y a los fosfolípidos como la lipocortina . Muchas otras proteínas se unen al calcio, aunque la unión del calcio puede no considerarse su función principal en la célula.